【聚焦】新材料應用藍海拓展——泡沫鋁

泡沫鋁是一種在金屬鋁基體中分布有無數氣泡的多孔質材料。目前,日本與德國在研究、生產和應用泡沫鋁與其他金屬泡沫方面居世界領先地位。我國對泡沫鋁材的研究始于1980s后期,已取得了一系列的研究成果,但尚未取得突破性的成就,仍然處于起步階段,未形成生產力。

1、性能表現

泡沫鋁的性能主要取決于分布在三維骨架間的孔隙特征,即氣孔的形態和分布,包括孔的類型(通孔或閉孔)、孔的形狀、孔的分布、孔的結構(孔徑、孔隙率、比重等)。

01、物理性能
泡沫鋁最明顯的特點就是重量輕、密度低,隨孔的變化而變化,比重僅為同體積鋁的0.1—0.6倍,但其牢固度卻比泡沫塑料高達4倍以上。泡沫鋁材料的導電性要比實心鋁材料小得多,相反電阻率就大得多,是電的不良導體。泡沫鋁的導熱性能比實心鋁小得多,約為實心鋁的0.1—0.2倍。另外,泡沫鋁還具有剛性大、不易燃、不易氧化、不易產生老化、耐候性好、回收再生性好等特點。

對于承受彎曲負載的裝置,所用材料應具有較高的比強度,通過對泡沫鋁和幾種常見結構材料(鋁、鋼)的比強度值(泡沫鋁:鋁:鋼=5:2.5:1)比較,可知泡沫鋁具有高比強度的特點。實驗研究表明,適當的熱處理可以提高其比強度。因此,泡沫鋁可用于承受較大的彎曲負載裝置中。

02、力學性能
同其他多孔材料一樣,泡沫鋁的彈性模量、剪切模量、彈性極限等均隨孔隙率的增大而呈指數函數下降。

(1)抗拉強度泡沫鋁的抗拉強度很低,幾乎無延伸率,表現為半脆性。實驗發現孔徑大小對其拉伸性能有一定的影響。相對密度相同時,孔徑小的拉伸強度比孔徑大的高。

(2)抗壓強度泡沫鋁的抗拉強度雖然很低,但它的抗壓強度卻較高。泡沫鋁壓縮應力一應變曲線可以分3個區域:線彈性區、屈服平臺區、致密化區。孔徑不同的泡沫鋁的壓縮應力一應變曲線形狀基本相似,不同主要表現在塑性平臺的高度上,實驗發現,孔徑大小與塑性平臺的高度并不是某種簡單的線性關系,而是在某一孔徑下塑性平臺最高。由泡沫鋁的抗壓強度與其密度及壓縮率之間的關系圖可知,密度增加,抗壓強度增加。

03、吸能特性
多孔結構材料可用作能量吸收材料。單位質量小、能量吸收能力大的材料就具有較大的作用。泡沫鋁單位質量小、強度較高,因此泡沫鋁具有很高的能量吸收能力。泡沫鋁在壓縮過程中,有高而寬的應力平臺,可以在基本恒定的應力下通過應變來吸收能量。吸能能力由應力應變曲線下方的面積來求,因此屈服平臺高而寬時,吸能能力越大。孔徑大小對屈服平臺的高度有一定的影響,所以可以找到一個合適的孔徑,使屈服平臺較高來提高其吸能能力。另外,其吸能能力隨孔隙率呈非單調變化,在某一孔隙率下具有最大的吸能能力。

04、阻尼性能
材料的阻尼性能是指材料由于內部的原因,將機械振動能不可逆地轉化為熱能的本領。利用材料的這種本領,可減小所不希望的噪聲和振動。根據Zener的經典理論,提高金屬材料阻尼性能的重要途徑之一,就是設法使缺陷之間的交互作用達到最大,以獲得最大的線性阻尼,或將力學放大機制引人材料,以獲得較高的非線性阻尼。多孔材料顯然符合高阻尼材料的組織特征,而且實驗已經證明孔洞的存在,可在某些非金屬或金屬材料的阻尼響應中發揮重要作用。

泡沫鋁作為一種宏觀多孔材料,由金屬骨架和孔隙組成,組織極不均勻,應變強烈滯后于應力,壓縮應力一應變曲線中包含一個很長的平穩段,因而它是一種具有高能量吸收特征的輕質高阻尼材料,在消聲減震等領域有著可觀的應用前景。實驗研究發現:
(1)孔徑一定時,泡沫鋁的內耗隨孔隙率的增大而增大;
(2)孔隙率一定時,泡沫鋁的內耗隨孔徑的減小而增大;
(3)泡沫鋁的內耗與應變振幅密切相關,隨振幅的增大而增大;
(4)泡沫鋁的內耗在低頻范圍內與頻率的變化無顯著關系。

在低阻尼的鋁中加人大量孔洞以后,可以顯著提高其阻尼本領。是由孔洞本身彈性模量近乎為零的軟質性以及孔洞與基體之間形成的大量界面引起的。另外泡沫鋁內部還存在其他大量微觀和宏觀的缺陷,泡沫鋁的阻尼機制是其缺陷的綜合效應,缺陷阻尼是其主要的阻尼機制。

05、吸聲性能
泡沫鋁材料尤其是通孔泡沫鋁,當聲音透過泡沫鋁時,由于聲波也是一種振動,可以在材料內部發生散射、干涉和漫反射,將聲音吸收在其氣孔中,使內部骨架振動,聲能部分轉化為熱能并且通過熱傳遞消耗掉,起到了吸聲的作用,因此,泡沫鋁具有良好的聲音吸收能力。吸聲性能用吸聲系數來衡量,吸聲系數越大則吸聲性能越好,泡沫鋁的吸聲性能主要取決于孔隙特征,通孔吸聲性能較好。孔越細小,吸聲性能越好。

2、泡沫鋁的應用

01、建筑材料
由于泡沫鋁的單位體積重量輕,防音防振、耐火不燃、保溫等性能,所以能用它來建造不承重的內墻壁、間壁墻、門、天花板、外面的裝飾材料等。也能夠利用到任何要求氣密、通氣性能好的建筑中。要用來做表面裝飾時,也能做到泡沫塑料、大理石和其他裝飾材料的效界、在電子計算機室、理化試驗室等的配線配管經常變動的情況下,適于建造所謂的移動地板。對于這個目前用的是蜂窩結構材料、壓鑄材料等,但可以用泡沫鋁代替。大型建筑物的外裝,在高層上是極力避免使用重量大的材料的,泡沫鋁正好適合這種需要。這不僅是重量輕,而且可使外表設計自由。對強度有特殊要求時,可以利用加入鋼筋制做的泡沫鋁。

02、裝飾材料
泡沫鋁可以采用任意設計來做為建筑物內外和其他的裝飾材料,也能夠做成具有如石質、大理石、木材、玻璃等材料的式樣。由于用它造成的雕刻物、塑像和其他物件造型即大又輕,搬運起來是極容易的。

03、防音材料
能夠有效地利用其做為壁面來調整廣播、音樂、講堂、劇場等的音響效果。在產業部門適合做為發電室、發動機試驗室、飛機場的防音、發音機械的平臺等材料。日常生活中被用來做為唱機、立體攝影機的結構零件,室內冷卻器的防音、旅館等的防音部件等。

04、抗振材料
對于用做汽車緩沖器及其他附帶零件,以把沖撞減緩下來達到安全目的,泡沫鋁是最好的材料。與此相反,也能用來做為對于沿路的諸設備發生沖撞時的緩和振動材料。做為重量大而又貴重的物件的運搬、安裝等的防振材料是理想的。阿波羅11號的LM在月球表面著陸時起落架下用的就是這種材料。適應著陸時月面的凹凸,并以泡沫鋁的破壞來緩和振動。也適用做為貴重物品的墊板材料。

05、型材
由于泡沫苯乙烯模型及其他高溫下使用的大型模型在操作上必需減輕重量,所以能用這種材料。試制汽車和其他大型的模型時,歷來用的是蜂窩結構及其他材料,但是它有成本高的缺點,而泡沫鋁則價格低又容易整形,并且在模形變化時,對于重復試制是非常適合的。

06、在汽車制造業上的應用
泡沫鋁優良的性能,決定了它具有廣泛的用途和廣闊的應用前景。尤其是在汽車制造業上的應用,泡沫鋁被認為是一種大有前途的未來汽車與其他交通運輸工具的良好材料。為了保護地球環境和自然資源,歐洲、北美、日本等發達國家已制訂出法律法規來提高汽車的燃油效率。減輕自重是提高燃油效率的最佳方法,減輕汽車自重的方法:(1)改進結構,(2)輕量化材料。前者已大致到了盡頭,只有后者才有潛力可挖。這樣就為泡沫鋁材料的開發應用提供了很好的機會。歐洲經濟共同體實行的光明歐洲計劃就是研究泡沫鋁在汽車上的應用。自重減小1kg,燃油效率可提高0.01km/L。目前國外已有全鋁汽車出現,與鋁相比泡沫鋁材料具有更輕量化的特點,可以更好地提高燃油效率。

國外研究表明,采用泡沫鋁材構件,汽車構架的剛度得到加強。在汽車制造中約有20%的車身結構可采用泡沫鋁制造,一輛中型轎車用泡沫鋁制造零件可減重27.2 kg左右,同時使結構系統簡化,零部件數量至少可減少1/3,降低了汽車成本。泡沫鋁材料是一種良好的能量吸收體,單位體積吸收的能量可達6-9M J,強大的能量吸收能力說明了它作為汽車保險杠緩沖材料的優越性。在汽車沖擊區使用泡沫鋁制成的合適元件,可控制最大能耗的變形,例如,在中空鋼材或鋁材外殼中充入泡沫鋁,可使這些部件在負載期間具備良好的變形行為。泡沫鋁材料用于汽車乘客座位前后的可變形材料可以改善安全性。泡沫鋁耐熱、阻燃,同時,在受熱狀態下不會釋放有毒氣體,所以在交通運輸工具中采用泡沫鋁材料來代替泡沫塑料或發泡樹脂材料,可以提高使用壽命,減少維修,同時也消除了傳統材料在車輛事故中所產生的有害氣體,大大降低了交通事故中的損失和人員傷亡,同時也起到了環保作用。

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